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3)多物理量、多时间尺度下的电磁现象与过程分析方法与建模研究
由于快速、可靠、可频繁动作的大功率开关器件取代了传统的机械开关,现代电力系统具有如下变化:1可控性强,可方便地实现灵活控制;2使得电力系统中出现了快速的动态过程,超出了传统的准稳态假定;3电力电子开关的存在及频繁动作,决定了系统具有变拓扑结构的特性,同时也给电力系统引入了离散事件,使得电力系统中同时包含了连续事件和离散事件,系统的分析复杂化。因而,分别使用相互独立的电磁暂态仿真程序和机电暂态仿真程序,已难以适应现代电力系统对仿真的需求。
国内外学者尝试结合机电暂态、电磁暂态两种仿真方法,希望在仿真规模、计算速度、仿真精确度多个目标间寻求一平衡点。但混合仿真的思想本身即存在不可逾越的误差,如交互误差、模型误差、接口误差等,寻求多尺度下统一的建模方法可能是另一种演进途径。
笔者认为,采用动态相量法,不仅可仿真分析普通的电力系统动态特性,还能分析存在FACTS或HVDC装置的电力系统动态特性,既能分析设备或系统的快速电磁暂态过程,又能分析其机电暂态过程,仿真步长介于两类暂态过程之间,取值灵活,适用于分析快速动态过程。
典型的电力电子系统通常是由电力电子器件构成的功率回路、控制回路和被控制对象3部分组成。形成这样一个复杂的非线性数模混合系统,会给设计和参数整定带来巨大的困难。因此,以往采用的离线数字仿真中的“控制器”与实际控制器间存在差别,包括采样误差、通信延时、程序执行延时等因素往往不能得到正确的反映,仿真可信度受到影响,因此,离线数字仿真只能应用在初始阶段[25]。
国内外已研发出针对电力电子装置的实时仿真平台,将实际物理控制器接入到仿真系统中,实现硬件在线闭环测试与参数优化。然而,这些应用中,大多将开关器件理想化,只能反映装置的次暂态过程,对于不同时间尺度下的时变结构动态过程,无法实现全面的装置特性分析和物理测试。建立快速通断下的功率流数学-物理模型,开展多电力电子装置与系统多时间尺度的统一分析与建模方法以及开关动力学过程的混合建模仿真方法研究非常必要。
4)高频次谐波和间谐波的发生机理、传递规律及其影响研究
电力电子变换器为了提高其能量转换效率,减少2kHz频带内的谐波和间谐波,开关频率大幅提高。这种趋势使得谐波发射范围向调制频率附近的高频带转移。因此,当前在许多电力电子应用领域低于2kHz的典型谐波分析应扩展到9kHz[26]。这种问题在大量采用高频功率转换系统的未来电网将更加突出,国际社会已经高度关注。
另一方面,间谐波的产生机理研究成为热点,主要集中在:1供电电压幅值和相角的波动产生边带频率分量;2换流器半导体开关非同步切换等[27]。例如,文献[28]通过频域分析和实验表明,光伏逆变器在与弱系统相连时,有可能产生间谐波[29];文献[30,31]的研究结果表明,变频调速系统、新能源电力变换等采用双级功率转换系统的场合有产生间谐波的风险。这一领域的基础问题研究在我国并未很好开展。
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